Каждый год, чтобы соответствовать требованиям, установленным Агентством по охране окружающей среды (EPA), угольные электростанции должны проходить аудит выбросов дымовых труб или проверяться независимой третьей стороной. Исследователи NIST хотели ускорить этот тест, чтобы сэкономить заводам деньги во время аудитов, а также повысить точность датчиков. Итак, команда NIST разработала новые датчики для измерения расхода выбросов и новый метод измерения, который потенциально может ускорить аудит на месте в 10 раз, говорят исследователи.
По словам инженера NIST Аарона Джонсона, результаты полевых исследований были "многообещающими" и в разумной степени соответствовали результатам лабораторных исследований. "Мы были удивлены; он показал неплохие результаты по сравнению с тем, что EPA считает своим методом" передовой практики "."
Чтобы контролировать выбросы угольных электростанций, техническим специалистам необходимо измерить скорость, с которой дымовые газы выбрасываются из дымовой трубы. Поток внутри дымовой трубы содержит водовороты и завихрения, но обычно движется вверх.
В тестах NIST четыре зонда, называемые трубками Пито, вставляются горизонтально в дымовую трубу.
Каждый из четырех датчиков измеряет расход в четырех разных точках, всего 16 измерений. Обладая этой информацией, ученые NIST могли проверить точность и точность новой конструкции трубки Пито и метода измерения.
NIST провел эту работу в рамках соглашения о совместных исследованиях и разработках (CRADA) с Исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI), независимой некоммерческой организацией, членами которой являются электроэнергетические компании, предприятия и государственные учреждения.
«Угольные электростанции могут извлечь выгоду из текущей работы NIST за счет усовершенствованных стандартов и методов более точного измерения массовых выбросов, с большей уверенностью в том, что все предприятия отчитываются на единообразной основе», – сказал менеджер программы EPRI Том Марц. Он добавил, что потенциальная экономия времени «не является чем-то, что мы можем точно измерить в настоящее время, но это будет ключевая цель будущей работы."
Конечная цель состоит в том, чтобы предоставить исследования, которые EPA может когда-нибудь разработать новый стандарт для калибровки выбросов дымовых труб.
«Преимущества для промышленности заключаются в том, что они сокращают время и стоимость испытаний и могут быть более точными», чем существующие стандартные промышленные зонды, – сказал Джонсон.
Однако даже если EPA не создаст новый стандарт, эта работа может принести пользу промышленности, поскольку предоставит компаниям-электростанциям больше возможностей для управления испытаниями на выбросы. «Наша цель – написать это как стандарт EPA», – сказал Джонсон. "Но участники отрасли должны решить, захотят ли они его использовать."
Плыть по течению
Дымовые трубы на угольных электростанциях оснащены мониторами, которые непрерывно измеряют концентрацию выбросов дымовых газов, включая диоксид углерода, ртуть, диоксид серы и оксиды азота, а также скорость потока дымовых газов.
Согласно федеральному закону, встроенные датчики расхода необходимо откалибровать – то есть проверить на точность – во время ежегодного аудита.
Для проведения ежегодной калибровки аудиторы используют небольшие портативные устройства, называемые трубками Пито. Специалисты по аудиту поднимаются по трубе – обычно высотой несколько десятков метров (сотен футов) – и вставляют свои зонды Пито горизонтально в газы, поднимающиеся по дымовой трубе. Они снимают несколько показаний потока в различных точках в поперечном сечении трубы, которое обычно составляет 7 или 8 метров (25 футов) в диаметре.
Безусловно, наиболее распространенным типом датчика, используемым для этой работы, является S-образный зонд."В нем есть два отверстия или порта. Один порт обращен прямо в поток газа и определяет давление, которое создается в трубке.
Другой порт обращен в противоположную сторону. Чем быстрее поток, тем выше разница давлений между двумя портами; измерение этой разницы в давлении позволяет аудиторам рассчитать скорость потока.
S-зонды не требуют калибровки, но каждое измерение может занять несколько минут, так как технический специалист должен вручную повернуть датчик, пока одна сторона не будет обращена прямо в поток. Это сложно, потому что поток не обязательно движется прямо вверх в проверяемой точке.
В основании дымовой трубы дымовой газ обычно проходит по крутому изгибу, что создает сложные водовороты и завихрения, которые не исчезают даже в высоких дымовых трубах.
Использование S-зондов настолько трудоемко, что для выполнения ежегодной калибровки на месте может потребоваться день или больше. «А электростанция теряет деньги все время, пока на ней присутствуют аудиторы, поэтому они хотят, чтобы технические специалисты приходили и уходили как можно быстрее», – сказал Джонсон.
Чтобы ускорить этот процесс, ученые NIST сделали три нововведения.
Во-первых, они создали две новые модели трубок Пито с пятью отверстиями вместо двух, которые работают лучше, чем S-зонды, и могут иметь преимущества перед другими моделями трубок Пито с пятью отверстиями, которые используются в настоящее время.
Зонды, разработанные физиком NIST Иосифом Шиндером, бывают двух форм: полусферической и конической.
Во-вторых, ученые разработали схему калибровки для своих новых датчиков, которая не требует, чтобы технический специалист вращал зонд внутри дымовой трубы, чтобы определить истинное направление потока для каждого измерения. Таким образом, хотя датчики должны быть откалиброваны перед использованием, на их использование во время фактического аудита потребуется гораздо меньше времени.
В-третьих, Джим Филла из NIST разработал программное обеспечение, совместимое с коммерчески доступной автоматизированной системой для измерения расхода в реальном времени.
Реальная сделка
До сих пор характеристики новых зондов измерялись только на испытательном стенде NIST, который включает в себя имитатор дымовой трубы в масштабе модели и аэродинамическую трубу. Но лаборатории NIST не могут воспроизвести все аспекты реальной электростанции, такие как наличие сажи в потоке дымовой трубы.
«Одно дело проверить это в нашей аэродинамической трубе», – сказал Джонсон. "Другой – подготовиться к тестированию в стеке с температурой 120 градусов по Фаренгейту."
Первый промысловый запуск в июле 2018 года был проведен на заводе по производству природного газа, где поток относительно легко измерить.
Второй, в сентябре 2018 г., проводился на угольной электростанции с особо сложным потоком.
У угольной электростанции была закрытая площадка, где трубки Пито вставлялись в дымовую трубу. Но платформа завода по производству природного газа была открыта для стихий. А на высоте примерно 45 метров (145 футов) в воздухе "все трясется", – сказал технический специалист NIST Джои Бойд. "Пока вы работаете, штабель качается, а пол под вами движется."
Когда исследователи NIST проанализировали данные, их результаты были многообещающими, с точностью до 2% согласившись с результатами их лабораторных исследований.
«Зонды работали в дымовой трубе так же хорошо, как и на испытательном стенде NIST», – сказал Джонсон.
Будущие полевые испытания помогут исследователям решить самую большую проблему, с которой они столкнулись: засорение датчика, при котором порты трубок Пито забиваются водой и твердыми частицами, и их необходимо промыть перед продолжением испытания.
Кроме того, работа научила их писать специальное программное обеспечение, сигнализирующее их оборудованию каждый раз, когда происходила «продувка» – струя воздуха под высоким давлением через зонд Пито, который мог повредить ключевую часть устройства, если определенные клапаны были не закрыто вовремя.